[CS 스터디] 1. 운영체제 - CPU 스케줄링

1. 스케줄링

   CPU를 잘 사용하기 위해 프로세스를 잘 배정하기

• 조건: 오버헤드 낮추기, 사용률 높이기, 기아 현상 낮추기
• 목표
  1. Batch System: 가능하면 많은 일을 수행. 시간(time)보단 처리량(throughout)이 중요
  2. Interactive System: 빠른 응답 시간. 적은 대기 시간.
  3. Real-time System: 기한(deadline) 맞추기

2. 선점/비선점 스케줄링

• 선점 (preemptive): OS가 CPU의 사용권을 선점할 수 있는 경우, 강제 회수하는 경우 (처리시간 예측 어려움)
• 비선점 (nonpreemptive): 프로세스 종료 or I/O 등의 이벤트가 있을 때까지 실행 보장 (처리시간 예측 용이함)

3. 프로세스 상태

• 선점 스케줄링: Interrupt, I/O or Event Completion, I/O or Event Wait, Exit
• 비선점 스케줄링: I/O or Event Wait, Exit

프로세스의 상태 전이

• 승인(Admitted): 프로세스 생성이 가능하여 승인됨.
• 스케줄러 디스패치(Scheduler Dispatch): 준비 상태에 있는 프로세스 중 하나를 선택하여 실행시키는 것
• 인터럽트(Interrupt): 예외, 입출력, 이벤트 등이 발생하여 현재 실행 중인 프로세스를 준비 상태로 바꾸고, 해당 작업을 먼저 처리하는 것
• 입출력 또는 이벤트 대기 (I/O or Event wait): 실행 중인 프로세스가 입출력이나 이벤트를 처리해야 하는 경우, 입출력/이벤트가 모두 끝날 때까지 대기 상태로 만드는 것
• 입출력 또는 이벤트 완료 (I/O or Event Completion): 입출력/이벤트가 끝난 프로세스를 준비 상태로 전환하여 스케줄러에 의해 선택될 수 있도록 만드는 것

4. CPU 스케줄링의 종류

• 비선점 스케줄링
  1. FCFS (First Come First Served)
     • 큐에 도착한 순서대로 CPU 할당
     • 실행 시간이 짧은 게 뒤로 가면 평균 대기 시간이 길어짐
  2. SJF (Shortest Job First)
     • 수행시간이 가장 짧다고 판단되는 작업을 먼저 수행
     • FCFS 보다 평균 대기 시간 감소, 짧은 작업에 유리
  3. HRN (Highest Response-ratio Next)
     • 우선순위를 계산하여 점유 불평등을 보완한 방법 (SJF의 단점 보완)
     • 우선순위 = (대기시간 + 실행시간) / 실행시간

• 선점 스케줄링
  1. Priority Scheduling
     • 정적/동적으로 우선순위를 부여하여 우선순위가 높은 순서대로 처리
     • 우선순위가 낮은 프로세스가 무한정 기다리는 Starvation 이 생길 수 있음
     • Aging 방법으로 Starving 문제 해결 가능
  2. Round Robin
     • FCFS에 의해 프로세스들이 보내지면 각 프로세스는 동일한 시간의 Time Quantum 만큼 CPU를 할당받음
     • Time Quantum or Time Slice : 실행의 최소 단위 시간
     • 할당 시간(Time Quantum)이 크면 FCFS와 같게 되고, 작으면 문맥 교환(Context Switching) 잦아져서 오버헤드 증가
  3. Multilevel-Queue (다단계 큐)
     작업들을 여러 종류의 그룹으로 나누어 여러 개의 큐를 이용하는 기법
     • 우선순위가 낮은 큐들이 실행 못하는 걸 방지하고자 각 큐마다 다른 Time Quantum을 설정해주는 방식 사용
  • 우선순위가 높은 큐는 작은 Time Quantum 할당, 우선순위가 낮은 큐는 큰 Time Quantum 할당
  4. Multilevel-Feedback-Queue (다단계 피드백 큐)
     
     • 다단계 큐에서 자신의 Time Quantum을 다 채운 프로세스는 밑으로 내려가고 자신의 Time Quantum을 다 채우지 못한 프로세스는 원래 큐 그대로
       • TIme Quantum을 다 채운 프로세스는 CPU burst 프로세스로 판단하기 때문
       • 짧은 작업에 유리, 입출력 위주(Interrupt가 잦은) 작업에 우선권을 줌
       • 처리 시간이 짧은 프로세스를 먼저 처리하기 때문에 Turnaround 평균 시간을 줄여줌

5. CPU 스케줄링 척도
   1. Response Time (응답 시간)
      • 작업이 처음 실행되기까지 걸린 시간
   2. Turnaround Time (반환 시간)
      • 실행 시간과 대기 시간을 모두 합한 시간으로 작업이 완료될 때까지 걸린 시간

출처
gyoogle님의 Tech Interview